
f414航发结构分析.doc
4页F414发动机结构分析摘要:本文对F/A-18搭载发动机F414引擎的研制背景、结构设计特点做了简要概括,对F414区别于F404的主要特点——低展弦叶片、整体叶盘设计和尾喷管陶瓷基复合材料的使用,作突出介绍,并给出了整体的性能参数和新的研究进展关键词:F414,整体叶盘,陶瓷基复合材料,结构Engine Structural Analysis of F414MENG Tianhang(1080220110, School of Energy Science and Engineering, Harbin Institute of Technology)Abstract: This article introduced the project background and basic structural characteristics of F414 jet engine installed on F/A-18 hornet, mainly focusing on its adoption of low aspect ratio fan-blade, blisks and ceramic composite material. An overall understanding is achieved including its performance figures and new development progress.Key words: blisk, ceramic composite material, structural analysis1.引言搭载两台F404-GE-400的舰载格斗/攻击机F/A-18是美国海军的主战飞机,已经有1300多架装备使用。
为增加F/A-18的航程并大大改善其工作能力,一边作为21世纪的主战飞机,经过美国海军、麦道公司和诺思诺普公司共同决定,将F/A-18C/D升级至F/A-18E/F该机已于1994年通过关键设计评审(CDR),1998年第一架生产型交付美国海军,2001年服役,它是美国于20世纪末投产的唯一一型战斗机,美国海军和美国海军陆战队计划到2015年共购置1000架F414是通用电气公司为满足美国海军对F/A-18“大黄蜂”战斗机最新发展型F/A-18E/F的要求而设计的加力式涡轮风扇发动机它以该公司的F404和F412为基础,因此曾被称为F404的Ⅱ型推力增长型1991年开始研制1993年5月20日首次试车,1998年定型并交付首台生产型发动机 GE公司在研制F414时充分吸取F404积累的使用经验,采用GE23A、YF120、F412以及其他军、民用发动机一些经过验证的技术,因而研制工作进展顺利,投资少、研制时间短,效果明显:F414比F404提高35%,推重比由F404-GE-400的7.5提高到9.02.结构和系统 图1 F414结构简图(不含加力燃烧室)2.1进 气 口 进气口采用环形结构,与F404的相同。
2.2风 扇 F414的风扇是从F404系列大量经过验证的技术上发展起来的F404风扇具有低展弦比、高增压比、高稠度和高叶尖切线速度(472~518m/s)的特点F414继承了这些特点,但流量要大15%,增压比要高15%,约为4.025,是所有GE产品中最高的它采用3级轴流式:第1级风扇叶片可拆换,带有中间凸台(见图2),它的压比较低,用于增强抗鸟撞击的能力第2和第3级风扇为Ti17的整体叶盘,减小由于榫头连接造成的漏气,提高效率,同时减轻质量3级静子和转子叶片均为三维流设计风扇机匣采用三段整体式机匣2.3高压压气机高压压气机采用7级轴流式,机匣采用钛合金整体中介机匣和对开的压气机机匣进气导流叶片采用周向较大的尺寸,以增强吸入飞鸟后的处理能力前3级转子为整体叶盘结构,是在锻坯上用电化学加工出来的,并设计为角度可调的叶片后4级转子叶片通过燕尾形榫头与盘连接前2级转子叶片材料为Ti17,后5级为IN718前3级静子叶片材料为钛合金这样的设计的优势有:(1)风扇与高压压气机前3级采用整体叶盘共减少484个零件,极大的提高了可靠性;(2)减重23kg,同时减少漏气,提高效率;(3)电化学加工(ECM)比之前的五坐标数控铣床铣削加工节省时间85%,同时还可避免加工后的残余应力,加工之后不需要手工磨削,加工精度也相对较高(叶型厚度公差±0.10mm,型面公差0.10mm);(4)针对整体叶盘的维修技术(如图3)允许直接在发动机上进行,维修费用低。
2.4燃 烧 室 燃烧室和高压涡轮是以F412为基础发展的,采用环形燃烧室,不仅降低了质量,也提高了使用寿命火焰筒材料为Hastelloy X头部设置有18个铸造的涡流器,18个双锥燃油喷嘴火焰筒采用激光打孔的多孔结构进行冷却,孔的总数达到30000个 2.5高压涡轮 高压涡轮采用1级轴流式,其设计过程采用全三维流设计,把效率较F404提高了超过1%冷却采用气膜加冲击冷却方式,冷却气一部分来自高压压气机,另一部分来自外涵道转子叶片和导向器叶片材料均为单晶材料,以提高叶片强度叶身上有物理气相沉积的隔热涂层(PVD TBC)轮盘采用整体式,只在宇宙的连接处采用螺钉,从而降低了质量高压涡轮总的寿命达到了6000小时2.6低压涡轮 低压涡轮1级轴流式,采用气冷设计,冷却气来自高压压气机的第四级叶片叶片材料与高压涡轮一样也采用单晶材料转子叶片和导向器叶片均有物理气相沉积的隔热涂层总体上与高压涡轮类似 2.7加力燃烧室 加力燃烧室结构(如图4)与F404的相同,火焰稳定器由中央环状V形火焰稳定器与12根径向火焰稳定器组成,内部通风扇空气冷却中心环形稳定器采用非冷却结构,并保障受热膨胀空间,带有点火器的喷油嘴处于正心较冷处,整套火焰稳定器可以在发动机装在飞机上的条件下更换。
2.8尾 喷 管 尾喷管采用收-扩式可调尾喷管在GE的所有军用发动机中,F414加力燃烧室的效率最高,那是因为冷却气使用少,但这就决定了尾喷管需要加强为此将调节片、封严片设计成可拆卸的双层结构,经过反复设计与实验,发现封严片设计成倒弧形可以提高寿命,如果进一步使用陶瓷基复合材料的尾喷管调节片,则可以把原有的加力燃烧室寿命提高到了原来的4倍,同时也很好适应了盐分/湿度高的条件,重量也有所减轻它的面积比为1.62.9转子结构 F414继承了F404系列的转子支撑与传力方案,如图F414共采用了5组轴承,三路支撑:(2)第一路支撑(前支撑)处于风扇静子处,为减小轴向振动采用滚子轴承,将低压转子的负荷通过进气导叶传至外机匣;(2)第二路支撑(中支撑)分两路,分别将低压与高压转子负荷通过高压压气机前部支撑独立的传至外机匣,两组轴承都是滚珠轴承;(3)第三路支撑(后支撑)先将高速轴负荷通过一组中介轴承传至低速轴,在有低速轴轴承从涡轮后支撑传至外机匣,两个轴承都是滚子轴承图5 F414系列转子支撑方案2.10控制系统 控制系统采用双通道全权数字式电子控制(FADEC),按风扇转速和核心机压比调节发动机工作,有故障隔离功能。
3.设计特点F414与F404的主要区别有四点:(1)风扇尺寸:F414比F404的风扇要大,同时采用整体叶盘技术,减重的同时增加16%的流量;(2)高压压气机:头三级高压压气机采用整体叶盘,减重23kg;(3) 加力燃烧室:在原有的独立流动控制系统之上加装使用FADEC控制下的燃料启动系统4) 尾喷管:调节片与封严片采用陶瓷基复合材料,寿命大大提高表2 F414技术数据加力推力97.86kN巡航推力65.64kN长度3912mm流量77.1kg/s最大直径889mm进口直径810mm涵道比0.37压比30:1推重比9:1净重1109kg价格$3,521,068(FY2011)4.结论F414是一款经典的中等推力发动机,它在继承了F404系列以及其他GE公司成熟技术的基础上,采用先进的管理方式,大胆的采用整体叶盘技术、陶瓷基复合材料、电化学加工以及部分激光加工技术,使得在重量减轻的情况下,发动机的性能、可靠性和维修性得到了大幅度的提升F414一直在不断完善,一方面通过GE内部研发,另一方面通过美国联邦项目2006年底F414完成耐久增强引擎(Enhanced Durability Engine,EDE)测试。
与F414圆型相比,EDE采用6级高压压气机,高压涡轮冷却方式作了调整,使得燃烧室温度可以提高66℃,总推力提高15%在EDE的基础上,IHPTET计划进一步完善,推力提升比例升至20%,成为性能增强型引擎(Enhanced Performance Engine, EPE)另一方面,F414一直在减噪和降油耗通过使用机械或液压Chevron(鲨鱼牙形)来使内外涵掺混减少噪音,燃烧室通过使用驻涡稳定器来提高燃烧效率,降低油耗,而这也是新一代发动机的努力方向参考文献【1】陈光,航空发动机结构分析,北京航空航天大学出版社,2006.【2】MTU Aero Engines,F414 Turbofan Engine,MTU Aero Engine GmBH,2005.07.【3】Wikipedia,General Electric F414.【4】U.S. Navy Exercises F414 Contract Option (2009). GE Press Release. Retrieved: 13 August 2009.。












